meeting March 28

Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе
Санкт-Петербург
Новый экспериментальный подход для
исследования динамики макромолекул с
наномасштабным разрешением
Сергей Овчинников, Никита Гордеев
«Нанотехнологии для Биологии и Медицины»
28-29 марта 2012
Санкт-Петербург
Введение
Vita in motu
(жизнь в движении)
Знание динамического поведения молекулярной системы
позволяет пролить свет на механизм её функционирования
«Нанотехнологии для Биологии и Медицины»
28-29 марта 2012
Санкт-Петербург
Методы исследования
 Основные экспериментальные методы, используемые для исследования
макромолекул:
- масс-спектрометрия,
- ядерно-магнитный резонанс
- рентгеноструктурный анализ
- рассеяние медленных нейтронов
- ИК-спектроскопия
- электронный микроскоп
- сканирующие зондовые микроскопы различного типа
- спектрометрия подвижности ионов
- рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия
 Методы не дают информации о механизме динамических процессов в
макромолекулах. Движение компонентов молекулы невозможно установить на
основании усредненных по времени параметров, задаваемых
экспериментальными измерениями.
 Интенсивно развиваются методы компьютерного моделирования (метод
Молекулярной динамики)
«Нанотехнологии для Биологии и Медицины»
28-29 марта 2012
Санкт-Петербург
Концепция
 Измерение одинаковых событий (объектов)
 Одно измерение даёт одну точку
 Совокупность полученных точек даёт
информацию о событии (объекте)
 Скорость и координата вылетевшей «пружинки»
характеризует осциллятор
«Нанотехнологии для Биологии и Медицины»
28-29 марта 2012
Санкт-Петербург
Применение для биомолекул
 Как получить «одинаковые» биомолекулы?
 Что является «пружинкой»?
 Как узнать, откуда вылетела «пружинка»?
 Какой параметр измеряется?
аминокислота Триптофан
 «Пружинкой» является электрон, испущенный
при разрыве химической связи
«Нанотехнологии для Биологии и Медицины»
28-29 марта 2012
Санкт-Петербург
Подготовка молекул
подготовка молекул
приведение
молекул в
одинаковое
состояние
фрагментация
молекул,
локализация
связи
анализ продуктов
фрагментации
восстановление
информации о
динамике
локальной связи
Электроспрей
(ионизация распылением в
электрическом поле)
 Широко используется в массспектрометрии
 Позволяет ионизировать большие
биомолекулы
 Сочетается с высоковакуумной техникой
 Позволяет «навесить» молекулы воды
The Nobel Prize in Chemistry 2002
John B. Fenn, Koichi Tanaka
«Нанотехнологии для Биологии и Медицины»
28-29 марта 2012
Санкт-Петербург
Приведение молекул в одинаковое
состояние
приведение
молекул в
одинаковое
состояние
подготовка молекул
анализ продуктов
фрагментации
восстановление
информации о
динамике
локальной связи
Электростатические накопители
(кольцо; ловушка)
two
deflectors
quadrupole
doublet
фрагментация
молекул,
локализация
связи
 За счет электростатического принципа можно работать с
Experiment
section
vertical
trim
Experiment
section
Experiment
section
молекулами массой вплоть до 105 а.е.м.
 Высокий вакуум (10-12Торр) позволяет удерживать
молекулярные до десятков секунд
 Время удержания в десятки секунд позволяет молекулярным
ионам релаксировать в низкоэнергетическое состояние
 Радиационное охлаждение обеспечивает заселение основных
Молекулярные
ионы
Experiment
section
вращательно-колебательных и электронных состояний
молекулярных ионов
 компактная «комнатная» конструкция, не требующая
ускорителей высокой энергии (энергия пучка молекулярных
designed by Oak Ridge National Laboratory, USA (2008)
ионов не превышает 250 кэВ)
«Нанотехнологии для Биологии и Медицины»
28-29 марта 2012
Санкт-Петербург
Фрагментация молекул, локализация связи
подготовка молекул
приведение
молекул в
одинаковое
состояние
фрагментация
молекул,
локализация
связи
анализ продуктов
фрагментации
восстановление
информации о
динамике
локальной связи
ē
 Фрагментирование (лазером, пучком
протонов и т.п.) молекул с известной
структурой
 Регистрация фрагментов молекулы
методами масс-спектрометрии (m/z, t)
 Регистрация электрона (x, y, V, t)
m/z
«Нанотехнологии для Биологии и Медицины»
28-29 марта 2012
Санкт-Петербург
Фрагментация молекул, локализация связи
подготовка молекул
ē
t1
приведение
молекул в
одинаковое
состояние
фрагментация
молекул,
локализация
связи
анализ продуктов
фрагментации
восстановление
информации о
динамике
локальной связи
 Детектирование с временным
анализ
временных
совпадений
разрешением ~100пс ()
 Интенсивность фрагментации
фиксируется на уровне 1/
t2
 «Схема совпадений»:
корреляционный анализ времени
регистрации фрагментов и электрона
 По массе фрагментов (m/z)
m/z
«Нанотехнологии для Биологии и Медицины»
локализуется разорванная связь
28-29 марта 2012
Санкт-Петербург
Реакционный микроскоп (reaction microscope)
подготовка молекул
приведение
молекул в
одинаковое
состояние
фрагментация
молекул,
локализация
связи
анализ продуктов
фрагментации
восстановление
информации о
динамике
локальной связи
 COLTRIM - Cold Target Recoil Ion
Momentum
 Комбинация электростатического
поля, магнитного поля и позиционночувствительных детекторов, имеющих
временное разрешение
 Позволяет измерить скоростное
распределение электронов
Распределение электронов по скоростям,
полученное с помощью реакционного
микроскопа
«Нанотехнологии для Биологии и Медицины»
28-29 марта 2012
Санкт-Петербург
Решение обратной задачи
подготовка молекул
приведение
молекул в
одинаковое
состояние
фрагментация
молекул,
локализация
связи
анализ продуктов
фрагментации
восстановление
информации о
динамике
локальной связи
 Измерение спектра электронов для
локализованной связи
обратная задача
время
 Квантово-механический расчёт и
анализ электронных спектров
 Проведение численных расчётов в
расширяющемся пространстве
 Решение обратной задачи позволяет
определить начальные квантовые
состояния системы из спектров
электронов
«Нанотехнологии для Биологии и Медицины»
28-29 марта 2012
Санкт-Петербург
Применение в биологии
Метод Молекулярной динамики
 Молекулярная система рассматривается с позиции классической ньютоновской механики
 В основе метода численное решение уравнений Ньютона для набора атомов
 Алгоритм включает в себя структурную модель и силовое поле
 Шкала времени: 10-15 – 103 секунд. Используется суперкомпьютер
 Перспективы Молекулярной динамики: решение проблемы фолдинга, дизайн новых лекарств
Суперкомпьютер Titan (Oak Ridge National Laboratory):
производительность 17,59 петафлопс
 Экспериментальное определение параметров силового поля для Молекулярной динамики
«Нанотехнологии для Биологии и Медицины»
28-29 марта 2012
Санкт-Петербург
Научные партнёры
Физико-технический институт им.А.Ф.Иоффе
Виктор Устинов, Николай Галль, Геннадий
Огурцов, Юрий Гордеев, Алексей Басалаев,
Александр Шмидт, Павел Брунков
Oak Ridge National Laboratory & University of Tennessee, USA
Joseph Macek, Gary Van Berkel, Igor Zhulin, Alexey Sokolov,
Mark Bannister, Randy Vane, Olga Ovchinnikova
Санкт-Петербургский государственный политехнический
Институт гриппа, Санкт-Петербург
Олег Киселев, Андрей Васин, Владимир Егоров
«Нанотехнологии для Биологии и Медицины»
университет
Вадим Иванов, Владимир Петров, Роман Полозков
28-29 марта 2012
Санкт-Петербург
Заключение
 Новый подход основан на современных разработках в атомной
и молекулярной физике, масс-спектрометрии, квантовомеханических расчетах, суперкомпьютерных вычислениях,
высоковакуумной технике
 Ожидаемые экспериментальные результаты позволят
определять локальных структурно-динамических свойства
биомолекул, что может иметь широкое практическое
применение
«Нанотехнологии для Биологии и Медицины»
28-29 марта 2012
Санкт-Петербург
Спасибо за внимание!
«Нанотехнологии для Биологии и Медицины»
28-29 марта 2012
Санкт-Петербург